不同使用類別下隔離開(kāi)關(guān)單極滅弧容量對(duì)比研究

摘 要：隨著光伏與儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電壓提升至現(xiàn)在主流的1 500 V，通常使用多極串聯(lián)形式以滿足電壓不斷提升的需求，導(dǎo)致現(xiàn)有直流隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品成本高、體積大且在使用類別中具有一定局限性。因此，針對(duì)直流隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品使用工況展開(kāi)討論，分析不同時(shí)間常數(shù)下預(yù)期電流波形的差異，提出一種改進(jìn)型滅弧室結(jié)構(gòu)，并對(duì)隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品在不同使用類別時(shí)滅弧容量差異導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為開(kāi)關(guān)產(chǎn)品在不斷提高的電壓系統(tǒng)中提高適用性提供新思路。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng); 隔離開(kāi)關(guān); 滅弧容量; 時(shí)間常數(shù)

中圖分類號(hào)：TM564.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-8188（2024）06-0037-05

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.06.006

Comparative Study on Single Pole Arc Extinguishing Capacity of Isolation Switches Under Different Usage Categories

CHEN Xianzhuo¹， SUN Jiankun²， ZHANG Senlin²， ZHOU Yingzi²， YAN hua²

［1.Wenzhou Huajia Electrical Equipment Co.，Ltd.， Wenzhou 325604， China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group ）Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract：With the continuous advancement of photovoltaic and energy storage system technology， the voltage has been raised to the mainstream of 1 500 V， and the multi pole series connection is usually used to meet the demand for continuous voltage increase， resulting high cost， large volume， and certain limitations in the use category of existing DC isolation switch products. Therefore， a discussion is conducted on the operating conditions of DC isolation switch products， analyzing the differences in expected current waveforms under different time constants， proposing an improved arc extinguishing chamber structure， and analyzing the experimental results caused by the differences in arc extinguishing capacity of isolation switch products under different usage categories， providing new insights for enhancing the applicability of switch products in voltage systems that are continuously being upgraded.

Key words：direct current system; isolation switch; arc extinguishing capacity; time constant

0 引 言

直流供電系統(tǒng)具有線路電阻小，電能損耗相較于交流電網(wǎng)最高降低50%，且容易提高送電容量等優(yōu)勢(shì)，在新能源領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。而電池儲(chǔ)能在輔助可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰等方面發(fā)揮重要作用。提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直流側(cè)電壓等級(jí)，有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)的降本增效。隨著光伏系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電壓從600 V提升到1 000 V再到現(xiàn)在主流的1 500 V系統(tǒng)，電壓等級(jí)的提升可以降低系統(tǒng)電流，使整個(gè)電氣系統(tǒng)的設(shè)備體積變小，輸電過(guò)程中電纜損耗小，提高單臺(tái)設(shè)備接入的組件數(shù)量，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。在光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電能通常以直流電的形式產(chǎn)生與儲(chǔ)存。儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由電池簇組成，由電池簇組成電池高壓箱并放置于直流匯流柜中，通過(guò)儲(chǔ)能變流器（PCS）轉(zhuǎn)換為交流電后，可直接為交流負(fù)載供電，通常在PCS的直流側(cè)設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)加熔斷器組合以保障PCS兩側(cè)匯流柜的安全^［1］。交流電具有過(guò)零熄滅的特性，而直流電弧的熄滅時(shí)通常伴隨拉長(zhǎng)電弧或引入電阻的方式提高電弧電壓以達(dá)到電弧熄滅條件。為保證現(xiàn)有產(chǎn)品能夠適用在1 500 V的配電系統(tǒng)中，通常采用多極串聯(lián)形式以降低產(chǎn)品單極開(kāi)斷電壓，使用四極產(chǎn)品時(shí)需單極承受375 V的開(kāi)斷電壓，如使用三極產(chǎn)品作為替代需要單極承受更高電壓，因此傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 研究對(duì)象

在5 MWh及更大儲(chǔ)能柜中直流側(cè)保護(hù)開(kāi)關(guān)通常使用4 000 A殼架產(chǎn)品，因此本文以4 000 A殼架產(chǎn)品為研究基礎(chǔ)，將框架隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的單極開(kāi)關(guān)能力作為切入點(diǎn)，比較其在額定分?jǐn)嚯娏飨虏煌褂妙悇e的適用情況。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

2 隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品對(duì)時(shí)間常數(shù)的要求

GB/T 14048.3—2017《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開(kāi)關(guān)、隔離器、隔離開(kāi)關(guān)及熔斷器組合電器》中根據(jù)直流產(chǎn)品使用情況不同將隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品分為4種類別。產(chǎn)品不同使用類別下的時(shí)間常數(shù)^［2］如表1所示。此標(biāo)準(zhǔn)中將時(shí)間常數(shù)作為區(qū)分產(chǎn)品使用類別的依據(jù)，負(fù)載條件下的接通分?jǐn)嗄芰筒僮餍阅茯?yàn)證中的要求也有一定區(qū)別，其中要求滿足DC-23類別的產(chǎn)品在接通與分?jǐn)嗄芰︱?yàn)證中，時(shí)間常數(shù)為15 ms;操作性能驗(yàn)證中，對(duì)電路中的時(shí)間常數(shù)要求需滿足7.5 ms，遠(yuǎn)大于DC-22類別中2 ms的要求。因此隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品對(duì)時(shí)間常數(shù)的要求在額定接通和分?jǐn)嗄芰︱?yàn)證與操作性能驗(yàn)證中高于斷路器產(chǎn)品。

時(shí)間常數(shù)是反映系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度中的一個(gè)參數(shù)，直流電路通常由直流源、感性負(fù)載與阻性負(fù)載組成，將直流電路簡(jiǎn)化為一階線性不變系統(tǒng)時(shí)，變量為電流從零階躍響應(yīng)的時(shí)域，表達(dá)方程為

c（t）=1－e^－tT（1）

式中：T——時(shí)間常數(shù)。

在時(shí)域系統(tǒng)中將t=T，因此方程可變換為c（t）=1－e^－TT=1－e^－1=0.632。

將時(shí)間常數(shù)定義為系統(tǒng)的輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值63.2%所需要的時(shí)間，通過(guò)該變量反映系統(tǒng)對(duì)輸入輸出變化的響應(yīng)速度，其對(duì)直流開(kāi)關(guān)產(chǎn)品接通分?jǐn)嘤幸欢ㄓ绊?。GB/T 14048.1—2023《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》附錄F中時(shí)間常數(shù)的確定方法（波形圖法），同樣按照電路校正波形圖上升曲線上相應(yīng)于預(yù)期峰值接通電流值的0.632 倍所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為時(shí)間常數(shù)值^［3］。本文將操作性能驗(yàn)證時(shí)的時(shí)間常數(shù)與單極開(kāi)斷電壓作為變量進(jìn)行DC-22與DC-23使用類別下電流預(yù)期試驗(yàn)。一階線性電路如圖2所示;不同時(shí)間常數(shù)的預(yù)期電流波形如圖3所示。

3 單極分?jǐn)嗄芰︱?yàn)證

在混合式電源中的線路時(shí)間常數(shù)通常為2～15 ms^［4］，為滿足GB 14048.3—2017中DC-22類別操作性能的要求，將2 ms時(shí)間常數(shù)、4 000 A作為傳統(tǒng)框架斷路器產(chǎn)品試驗(yàn)參數(shù)，分別在傳統(tǒng)交流框架斷路器產(chǎn)品上進(jìn)行額定電壓375 V與500 V的單極分?jǐn)嘣囼?yàn)，以等效四極隔離開(kāi)關(guān)與三極隔離開(kāi)關(guān)在1 500 V系統(tǒng)中的使用情況。試驗(yàn)樣機(jī)滅弧室柵片數(shù)量為16片，統(tǒng)一采用進(jìn)線方式，即靜觸頭出線端子與電源正極相連，進(jìn)行O操作。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的滅弧室結(jié)構(gòu)如圖4所示。

單極375 V分?jǐn)嗖ㄐ稳鐖D5所示。傳統(tǒng)產(chǎn)品在單極375 V電壓下能夠做到較好的分?jǐn)嘈Ч?，分?jǐn)鄷r(shí)間約12 ms，能夠做到觸頭完全打開(kāi)后快速熄滅，電弧電壓峰值約450 V，表明現(xiàn)有滅弧柵片數(shù)量能夠建立足夠電弧電壓并熄滅電弧。

將開(kāi)斷電壓提升到500 V，單極500 V分?jǐn)嗖ㄐ稳鐖D6所示。此時(shí)產(chǎn)品的分?jǐn)鄷r(shí)間開(kāi)始呈非規(guī)律性變化，全分?jǐn)鄷r(shí)間在14～20 ms變化，從波形圖中可觀察電壓經(jīng)過(guò)多次波動(dòng)才達(dá)到峰值并將電弧熄滅，此時(shí)電弧電壓峰值最高達(dá)到約780 V。但隨著分?jǐn)啻螖?shù)增加，現(xiàn)有開(kāi)關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)無(wú)法穩(wěn)定熄滅電弧的情況。從圖6中第三副分?jǐn)嗖ㄐ沃锌梢钥闯?，電弧電壓出現(xiàn)多次提升與回落，此時(shí)電弧無(wú)法熄滅且隨著電弧電壓逐漸降低呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，后被試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備截?cái)?。因此在單極分?jǐn)嚯妷禾岣叩?00 V情況下，傳統(tǒng)框架斷路器無(wú)法完成多次可靠分?jǐn)?，容易?duì)周邊配電設(shè)備帶來(lái)分?jǐn)喟踩[患。

針對(duì)直流電的特性研究直流專用開(kāi)關(guān)產(chǎn)品是減少使用風(fēng)險(xiǎn)提高系統(tǒng)可靠性的途徑。單純?cè)黾訂闻_(tái)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品極數(shù)即降低單極承受電壓的確是一個(gè)有效的產(chǎn)品應(yīng)用方法，但產(chǎn)品極數(shù)增加意味著產(chǎn)品占用體積大，各級(jí)串聯(lián)使用會(huì)導(dǎo)致成本高、功耗高等問(wèn)題。因此提高產(chǎn)品單極分?jǐn)嘈阅苁墙鉀Q當(dāng)前問(wèn)題的方法之一，提升滅弧容量可以通過(guò)增加回路電阻、將電弧切割成更多數(shù)量的短弧、增加電弧拉伸長(zhǎng)度等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題將傳統(tǒng)滅弧室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加滅弧室內(nèi)柵片數(shù)量，在滅弧室底部設(shè)有擋氣滑片，頂部設(shè)有出氣口，大大減少分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)品腔體內(nèi)的氣體向其他方向運(yùn)動(dòng)，保證電弧向出氣口運(yùn)動(dòng)且能經(jīng)過(guò)柵片并被有效切割。改進(jìn)后的滅弧室結(jié)構(gòu)如圖7所示。

將單極滅弧柵片數(shù)量增加至40片，保持其他參數(shù)不變，將電壓提高至750 V進(jìn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)。時(shí)間常數(shù)為2 ms和7.5 ms時(shí)單極750 V分?jǐn)嗖ㄐ畏謩e如圖8和圖9所示。

圖8為針對(duì)直流系統(tǒng)優(yōu)化后的分?jǐn)嗖ㄐ?。從波形圖中可以看出，隨著觸頭運(yùn)動(dòng)電壓迅速升高且波動(dòng)情況較少，電弧電壓峰值超過(guò)1 000 V，全分?jǐn)鄷r(shí)間約12 ms。滅弧容量增加后，750 V 、4 000 A 、2 ms時(shí)間常數(shù)可穩(wěn)定開(kāi)斷，為進(jìn)一步探究滅弧容量，將時(shí)間常數(shù)提高到7.5 ms，等效DC-23類別操作性能驗(yàn)證的情況，分?jǐn)嗖ㄐ稳鐖D9。隨著觸頭打開(kāi)電弧電壓開(kāi)始升高，分?jǐn)噙^(guò)程中雖有一定回落但電弧電壓峰值更高，達(dá)到約1 300 V。分?jǐn)鄷r(shí)間稍有增加，約18～20 ms，電弧電壓峰值提高說(shuō)明改進(jìn)后的滅弧室結(jié)構(gòu)能夠起到良好的拉伸電弧作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） 在時(shí)間常數(shù)較低、系統(tǒng)電壓較低的直流系統(tǒng)中，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品可以起到一定保護(hù)作用;隨著系統(tǒng)電壓等級(jí)提高，為保證傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)能夠起到安全可靠保護(hù)作用，采用多極串聯(lián)的方式降低單極分?jǐn)嗄芰渴且粋€(gè)可行方法，如使用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品需盡可能將較多極數(shù)串聯(lián)使用。但此方法會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品使用成本高，占用體積大等問(wèn)題。

（2） 針對(duì)直流系統(tǒng)特性提升單極滅弧容量可以適用更多的使用類別，開(kāi)斷更高時(shí)間常數(shù)的線路。時(shí)間常數(shù)增加，產(chǎn)品開(kāi)斷時(shí)間隨之升高，電弧電壓峰值也有一定提高。

（3） 如需降低隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的占用空間，增加產(chǎn)品單極滅弧容量是一個(gè)有效方法，進(jìn)而縮小每臺(tái)產(chǎn)品極數(shù)，減少轉(zhuǎn)接銅排使用數(shù)量，達(dá)到節(jié)省空間與降本增效的目的。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］顧惠民，孫吉升.低壓直流斷路器在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2016（22）：10-16.

［2］全國(guó)低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開(kāi)關(guān)、隔離器、隔離開(kāi)關(guān)及熔斷器組合電器：GB/T 14048.3—2017［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

［3］全國(guó)低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：GB/T 14048.1—2023［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2024.

［4］王興利，趙科達(dá)，胡浪濤，等.低壓直流斷路器時(shí)間常數(shù)探討［J］.電氣技術(shù)，2018，19（10）：88-91.

收稿日期：20240425